Heslo vypracovala: Mgr. Zuzana Krišandová Astronomický ústav Slovenskej akadémie vied

Transcript

1 Sférická astronómia encyklopedické heslo Sférická astronómia časť astronómie, ktorá sa zaoberá matematickými metódami určovania zdanlivých polôh a zdanlivých pohybov vesmírnych telies premietnutých na nebeskú sféru. Heslo vypracovala: Mgr. Zuzana Krišandová Astronomický ústav Slovenskej akadémie vied zkrisandova@ta3.sk Dátum aktualizácie: september 2009

2 Sférická astronómia čo si má zapamätať žiak Sférická astronómia časť astronómie, ktorá sa zaoberá matematickými metódami určovania zdanlivých polôh a zdanlivých pohybov vesmírnych telies premietnutých na nebeskú sféru. Slnko je jednou z miliárd hviezd tvoriacich našu Galaxiu. V noci, keď stojíme pod hviezdnou oblohou, môžeme voľným okom vidieť až 3000 hviezd. Zdá sa, ako by boli rozmiestnené po vnútornom povrchu gule s veľkým polomerom. Túto guľu nazývame svetovou, alebo aj nebeskou sférou. Pod nebeskou sférou teda rozumieme guľu s ľubovoľným, prípadne nekonečným polomerom, na ktorú sa z pozorovacieho miesta premietajú všetky nebeské telesá. Významnou rovinou na nebeskej sfére je ekliptika. Je to rovina, po ktorej sa počas roka zdanlivo pohybuje Slnko. Vplyvom pohybu Zeme okolo Slnka sa spojnica Zem - Slnko v priestore mení a pretína nebeskú sféru v rôznych bodoch ekliptiky. Môžeme teda povedať, že ekliptika je množina bodov, na ktorej je počas roka pozorovaný stred pravého Slnka. Rovina prechádzajúca zemským rovníkom pretína nebeskú sféru v najväčšej kružnici, ktorá sa nazýva svetový alebo nebeský rovník. Priamka prechádzajúca zemskými pólmi pretína nebeskú sféru v bodoch nazývaných svetové alebo nebeské póly. Svetový rovník pretína ekliptiku v 2 bodoch, ktoré nazývame jarný a jesenný bod. V čase jarnej rovnodennosti sa Slnko na ekliptike nachádza v jarnom bode; v okamihu jesennej rovnodennosti v jesennom bode. V súčasnosti sa jarný bod nachádza v súhvezdí Rýb. Obr. 1 sférický trojuholník; súčet uhlov je väčší ako 180 stupňov.

3 Sférická astronómia čo má k dispozícii učiteľ Sférická astronómia časť astronómie, ktorá sa zaoberá matematickými metódami určovania zdanlivých polôh a zdanlivých pohybov vesmírnych telies premietnutých na nebeskú sféru. 1. Nebeská sféra a základné pojmy Slnko je jednou z miliárd hviezd tvoriacich našu Galaxiu. V noci, keď stojíme pod hviezdnou oblohou, môžeme voľným okom vidieť až 3000 hviezd. Zdá sa, ako by boli rozmiestnené po vnútornom povrchu gule s veľkým polomerom. Túto guľu nazývame svetovou, alebo aj nebeskou sférou. Sférická astronómia je časť astronómie, ktorá sa zaoberá matematickými metódami určovania zdanlivých polôh a zdanlivých pohybov vesmírnych telies premietnutých na nebeskú sféru. Pre pozorovateľa na Zemi sa hviezdy pomaly pohybujú po nočnej oblohe. Tento pohyb je spôsobený rotáciou našej planéty. Pozorovateľ si tak môže predstaviť oblohu ako vnútro gule, na ktorej sú pripevnené hviezdy a ktorá sa vzhľadom na Zem otáča. Za predpokladu bezoblačného počasia a ničím neobmedzeného obzoru vidí pozorovateľ na Zemi polovicu nebeskej sféry. Druhú polovicu sféry má zakrytú zemskou hmotou. Obr. 2 nebeská sféra Pozorovateľ na jednom zo zemských pólov má jednu polovicu sféry vždy nad hlavou a druhá je pre neho nepozorovateľná. Pre pozorovateľa na inej zemepisnej šírke rotácia Zeme prináša nové časti nebeskej sféry a iné sa naopak strácajú. To znamená, že napríklad pozorovateľ na 60 severnej alebo južnej zemepisnej šírky môže v priebehu noci vidieť najmenej tri štvrtiny nebeskej sféry a pozorovateľ na rovníku môže postupom času vidieť každý bod nebeskej sféry.

4 Pod nebeskou (svetovou) sférou teda rozumieme guľu s ľubovoľným, prípadne nekonečným polomerom na ktorú sa z pozorovacieho miesta premietajú všetky nebeské telesá. Pozorovacie miesto sa pokladá za stred nebeskej sféry. Je miestom, odkiaľ sa určujú smery (nie vzdialenosti) k jednotlivým nebeským telesám, ako k bodom na nebeskej sfére. Každá rovina prechádzajúca stanovišťom pozorovateľa pretína nebeskú sféru v najväčšej, hlavnej kružnici. Ostatné roviny pretínajú nebeskú sféru vo vedľajších kružniciach. Zdanlivá poloha telesa na sfére sa udáva sférickými súradnicami, ich určením sa zaoberá sférická astronómia. Rovina prechádzajúca zemským rovníkom pretína nebeskú sféru v najväčšej kružnici, ktorá sa nazýva svetový alebo nebeský rovník. Priamka prechádzajúca zemskými pólmi pretína nebeskú sféru v bodoch nazývaných svetové alebo nebeské póly. Vplyvom rotácie Zeme sa nebeská sfére denne otočí okolo Zeme a v dôsledku toho nebeské telesá opisujú okolo svetového pólu na nebeskej sfére zdanlivo kruhové dráhy, tento jav nazývame denný pohyb. Myslená priamka, ktorá je predĺženou spojnicou miesta pozorovateľa a stredu Obr. 3 - Predstava nebeskej sféry. (Š. Gajdoš a kolektív: Vesmír, IKAR 2006).

5 Zeme v smere zemskej tiaže pretína nebeskú sféru v dvoch bodoch. V najvyššom bode oblohy nazývanom zenit a v protiľahlom bode nazývanom nadir. Vodorovnú rovinu, ktorá pretína nebeskú sféru v hlavnej kružnici nazývame obzor alebo horizont. Smer tiažovej priamky sa v rôznych miestach Zeme mení a preto má každé pozorovacie miesto svoj vlastný zenit, nadir a horizont. Významnou rovinou na nebeskej sfére je ekliptika (najväčšia hlavná kružnica na nebeskej sfére). Je to rovina, po ktorej sa počas roka zdanlivo pohybuje Slnko. Vplyvom pohybu Zeme okolo Slnka sa spojnica Zem - Slnko v priestore mení a pretína nebeskú sféru v rôznych bodoch ekliptiky. Môžeme teda povedať, že ekliptika je množina bodov, na ktorej je počas roka pozorovaný stred pravého Slnka. Svetový rovník pretína ekliptiku v 2 bodoch, ktoré nazývame jarný a jesenný bod. V čase jarnej rovnodennosti sa Slnko na ekliptike nachádza v jarnom bode; v okamihu jesennej rovnodennosti v jesennom bode. V súčasnosti sa jarný bod nachádza v súhvezdí Rýb. Ak miestom pozorovateľa vedieme priamku kolmú na rovinu ekliptiky, táto priamka potom pretína nebeskú sféru v dvoch bodoch, v severnom póle ekliptiky a v južnom póle ekliptiky. Severný pól ekliptiky leží v súhvezdí Draka vo vzdialenosti 23,5 stupňa od severného svetového pólu. Ekliptika prechádza súhvezdiami Rýb, Barana, Býka, Blížencov, Raka, Leva, Panny, Váh, Škorpióna, Hadonosa, Strelca, Kozorožca a Vodnára. Niektoré názvy týchto súhvezdí pochádzajú ešte z dôb starých Babylončanov, Sýrčanov a Egypťanov. Rovina svetového rovníka a ekliptiky zvierajú uhol 23,5. Svetová os a gravitačná ťažnica zvierajú uhol 90 φ, kde φ je zemepisná šírka pozorovateľa. Pól ekliptiky je od svetového pólu vzdialený o 23,5 a preto ekliptika počas dňa mení voči horizontu svoju polohu. Medzi významné kružnice nebeskej sféry patrí ešte almukantarát, meridián a kolúr. Almukantarát (azimutálna kružnica) je vedľajšia kružnica rovnobežná s horizontom. Telesá ležiace na rovnakom almukantaráte majú rovnakú výšku nad obzorom. Najväčšia kružnica na nebeskej sfére, ktorá prechádza svetovým pólom a zenitom pozorovateľa, sa volá meridián. Pretína horizont v južnom a severnom bode. Priesečník meridiánu s horizontom, respektíve so svetovým rovníkom slúži ako nulový bod, od ktorého sa určujú súradnice ako azimut a hodinový uhol (viď. samostatné heslo Rovníkové súradnice ). 2. Súradnice Na určenie polohy telesa na nebeskej sfére stačia v sférickej astronómii hodnoty 2 súradníc, používa sa preto systém súradníc podobných zemepisnej šírke a dĺžke na Zemi. Existuje niekoľko systémov súradníc, ktoré sa líšia definíciou a aj oblasťou, v ktorej sú prednostne používané. Uvádzame súradnicové systémy a príslušné súradnice: obzorníkove (horizontálne) súradnice azimut a výška nad obzorom ekvatoriálne (rovníkové) s. rektascenzia a deklinácia ekliptikálne s. ekliptikálna šírka a ekliptikálna dĺžka galaktické s. galaktická šírka a galaktická dĺžka 3. Nebeské cykly Z pohľadu merania polôh objektov na nebeskej sfére má významný vplyv na definovaný systém súradníc nutácia a precesia zemského pólu. Precesia predstavuje pohyb osi zemského zotrvačníka okolo pevnej osi v priestore pod vplyvom vonkajších gravitačných síl. Spôsobujú ju hlavne gravitačné účinky Slnka a Mesiaca na zemský elipsoid. Precesia spôsobuje pohyb jarného bodu po ekliptike v smere proti zdanlivému pohybu Slnka - z aktuálneho súhvezdia Rýb v smere k súhvezdiu Vodnára približne 50 za rok. Periódu precesie nazývame

6 Platónsky rok a jeho dĺžka je tropických rokov. V dôsledku gravitačného pôsobenia Slnka na obeh Mesiaca okolo Zeme sa pravidelne mení orientácia roviny dráhy Mesiaca okolo Zeme s periódou 18,6 roka. S rovnakou periódou vykonáva zemská os jemný krúživý pohyb okolo precesnej kružnice. Tento pohyb sa nazýva nutácia a spôsobuje výkyvy až ±9,2. Vplyvom nutácie sa mení poloha jarného bodu a sklon ekliptiky; poloha pólu ekliptiky ostáva nezmenená. V súčasnosti je severný nebeský pól približne 1 stupeň od Polárky, ale v dôsledku precesie sa k nej stále približuje, až k nej bude najbližšie v roku Zhruba za rokov bude zemská os smerovať k hviezde Vega v súhvezdí Lýry. Jarný bod a nebeský pól sú východzími bodmi pre definíciu rovníkových a ekliptikálnych súradníc (viď. heslá Rovníkové súradnice a Ekliptikálne súradnice ). Pre meranie polôh objektov na nebeskej sfére má preto precesia veľký význam, keďže spôsobuje zmenu polohy jarného bodu v čase. Všetky presné údaje o polohách nebeských objektov preto musia byť udané vzhľadom k nejakému pevnému dátumu tzv. ekvinokciu. V súčasnosti je platné ekvinokcium , teda sa pri určovaní polôh objektov berie do úvahy poloha jarného bodu Obr. 4 - vplyv precesie na polohu svetového pólu na oblohe. V súčasnosti je v blízkosti Polárky. 4. Sférická trigonometria Sférická geometria sa vytvárala, rovnako ako celá matematika, už od dávnoveku u orientálnych národov, a to na základe praktických potrieb a skúseností. U prvých primitívnych kmeňov sa stretávame zo štúdiom astronómie, ktorá je vďaka tvaru Zeme a Mesiaca so sférickou geometriou úzko spätá. V počiatkoch astronómie išlo hlavne o delenie času, s ktorým sú spojené určité poznatky o pohybe Slnka, Mesiaca a hviezd. Sférická trigonometria sa zoberá trojuholníkmi, ktoré ležia na guľovom povrchu a vzájomnými vzťahmi ich oblúkov a uhlov.

7 Obr. 5: Sférický trojuholník 4.1. Sínusová veta Z ľubovoľného bodu B na hrane trojhranu S(ABC) s vrcholom S spustíme kolmice na obidve ostávajúce hrany (BA SA,BC SC) a na protiľahlú stenu (BS SAC). Potom tiež platí, že OA SA, OC SC. Uhly BAC α, BCA γ sú uhly trojhranu a BSC = a, CSA = b, ASB = c sú uhly odpovedajúce veľkostiam strán sférického trojuholníka príslušného trojhranu S(ABC). Z trojuholníka na obrázku 6 dostávame s využitím rovinnej trigonometrie rovnosti: BS = BA sin α BA = BO sin c BS = BO sin c sin α BS = BC sin γ BC = BO sin a BS = BO sin a sin γ porovnaním a po úprave: sin c sin α = sin a sin γ cyklickou zámenou dostaneme ostatné vzťahy: Odvodený vzťah sa nazýva sínusová veta: Ak sú a, b, c strany a α,, γ uhly sférického trojuholníka, potom platí

8 sin a : sin b = sin α : sin (a cyklické rovnosti). Obr. 6 - sínusová veta odvodenie 4.2. Kosínusová veta pre stranu Pri odvodení sférickej kosínusovej vety prevedieme podobnú konštrukciu ako pri sínusovej vete. Teraz ľubovoľným bodom B na hrane trojhranu s vrcholom S preložíme rovinu kolmú na hranu SB. Rovina pretne ostatné hrany trojhranu v bodoch A,C. Z bodu B ďalej spustíme kolmicu na hranu AC. Podľa kosínusovej vety rovinnej trigonometrie platí pre ABC resp. ACO: AC 2 = AB 2 + BC 2 2AB BC cos AC 2 = SA 2 + SC 2 2SA SC cos b Pravé strany rovníc dáme do rovnosti a využijeme Pythagorovu vetu pre SAB resp. SBC: Rovnicu vydelíme dvoma a dĺžkami strán SA a SC. Za pomery strán môžeme následne dosadiť odpovedajúce goniometrické funkcie rovinnej trigonometrie: cos b = cos a cos c + sin c sin a cos Cyklickou zámenou dostaneme vzťahy pre ostatné strany a uhly. Tento vzťah nazývame kosínusová veta pre stranu vo sférickom trojuholníku: Ak sú a, b, c strany a α,, γ uhly sférického trojuholníka, potom platí

9 cos a = cos b cos c + sin b sin c cos α (a cyklické rovnosti). Obr. 7 - kosínusová veta odvodenie 4.3. Kosínusová veta pre uhol Pri odvodzovaní kosínusovej vety pre uhol využijeme vlastností polárneho trojuholníka. Nech A 0 B 0 C 0 je polárny sférický trojuholník k trojuholníku ABC. Pre A 0 B 0 C 0 podľa kosínusovej vety pre stranu platí: cos a 0 = cos b 0 cos c 0 + sin b 0 sin c 0 cos α 0 Podľa vzťahu pre polárny trojuholník je možné túto rovnosť prepísať do tvaru: cos (π α) = cos (π ) cos (π γ) + sin (π ) sin (π γ) cos (π a) teda cos α = cos cosγ sin sin γ cos a Vynásobením číslom 1, dostaneme výslednú rovnosť, ktorá sa nazýva kosínusová veta pre uhol sférického trojuholníka: Ak sú a, b, c strany a α,, γ uhly sférického trojuholníka, tak platí cos α = cos cos γ + sin sin γ cos a (a cyklické rovnosti) Polárny trojuholník Krajné body priemeru guľovej plochy, kolmého na rovinu danej hlavnej kružnice, sa nazývajú póly tejto kružnice. Majme na guľovej ploche sférický trojuholník ABC. Nech A 0 je pól hlavnej kružnice určenej bodmi B,C, ležiaci na rovnakej pologuli ako bod A. Analogicky získame i body B 0,C 0. Hovoríme, že trojuholník A 0 B 0 C 0 je polárny k danému trojuholníku ABC. Ďalej platí nasledujúce tvrdenie: Ak trojuholník A 0 B 0 C 0 je polárny k trojuholníku ABC, potom tiež obrátene trojuholník ABC je polárny k trojuholníku A 0 B 0 C 0. Strany polárneho trojuholníku sú a = 180 α, b = 180, c = 180 γ; jeho uhly sú α = 180 a, =180 b, γ= 180 c.